在含铁尾矿中，植物、有机碳及微生物群落之间的协同作用促进了铁矿物的转化以及有机碳的循环，进而启动了土壤形成过程，为实现尾矿的可持续修复提供了基础

《Environmental Research》：Synergistic plant-driven transformations of Fe minerals, organic carbon, and microbial communities initiate pedogenesis in Fe tailings for sustainable rehabilitation

　　

史一瑞|张廷瑞|郭俊生|李泽|刘云佳

中国农业大学土地科学技术学院，北京市，100193，中国

摘要

植物定殖在将铁（Fe）尾矿转化为功能性土壤样基质的过程中起着关键作用，有助于改善铁尾矿的物理化学性质和微生物生态功能。然而，早期土壤形成过程中驱动有机物（OM）积累和矿物转化的生物地球化学机制尚不明确，这阻碍了尾矿修复的优化。本研究探讨了由先锋植物（多年生黑麦草，Lolium perenne L.）在添加了土壤和玉米秸秆的铁尾矿中进行的早期土壤形成过程。通过控制的盆栽实验，结合光谱和衍射技术、溶解有机物（DOM）表征以及微生物DNA测序，研究了铁尾矿的初始土壤形成过程。结果表明，植物定殖促进了铁的氧化还原循环和矿物转化。在添加了秸秆的尾矿中，植物定殖促进了铁的氧化，减少了Fe(Ⅱ)的比例，同时促进了原生矿物（如磁铁矿）向次生矿物（如针铁矿）的转化。与此同时，添加了秸秆的处理组显示出溶解有机碳（DOC）和羧基官能团的显著积累。在所有种植处理组中，新鲜酪氨酸类成分的相对丰度达到了最大值43.1%。此外，在添加了秸秆和土壤的处理组中，植物定殖增加了微生物群落的多样性和均匀性，而在仅添加了秸秆的处理组中则降低了微生物群落的多样性。尽管植物定殖没有在仅添加了秸秆的处理组中富集促进植物生长的根瘤菌（PGPR），但它有利于厌氧分解者和固氮微生物的富集。这些发现为铁矿物转化、有机物积累以及由植物定殖驱动的微生物群落发展对铁尾矿早期土壤形成的协同效应提供了机制上的见解，从而有助于可持续的矿山修复。

引言

铁矿石的开采和选矿过程会产生大量的副产品，即铁尾矿（Wu et al., 2019a）。这些固体废物通常具有较低的有机碳（OC）含量、较差的营养物可利用性以及紧实的物理结构，这限制了生物活性并阻碍了生态系统的发育（Wu et al., 2019b）。植物定殖被广泛认为是启动尾矿修复的关键方法（Sheoran and Choudhary, 2021; Singh and Pant, 2023）。通过根系穿透、有机物（OM）输入和根际过程，植物可以改变基质结构、营养物可利用性和生物地球化学循环（Wu et al., 2023）。在许多情况下，成功的植物定殖表明，修复效果取决于特定的基质性质，而不仅仅是一个普遍现象（Cross et al., 2017; Cross et al., 2021）。因此，将尾矿转化为能够维持植物生长、稳定养分循环并实现长期生态系统发展的功能性土壤样基质至关重要。

这种转化的一个核心组成部分是在尾矿早期土壤形成过程中含铁矿物的转化。在铁尾矿中，早期土壤形成的特点是原生矿物向反应性次生铁（水）氧化物转变，这一过程由溶解-沉淀和氧化还原反应共同驱动（Hansel et al., 2005）。这些转化受物理化学梯度控制，包括pH值、O₂的可利用性和有机配体浓度。例如，在常温下，强酸性条件（pH < 3）或弱碱性条件（pH = 7-8）有利于赤铁矿的形成，而弱酸性条件（pH = 3-6）和强碱性条件（pH = 10-14）有利于针铁矿的形成（Park et al., 2018; Han et al., 2020）。随着次生含铁矿物的积累，它们可以改变表面反应性、吸附能力和聚集潜力。这些次生矿物可以为有机物的稳定和微生物群落的定殖提供一个关键的界面，从而支持类似土壤功能的发育（Guo et al., 2025）。

植物定殖通过凋落物沉积和根系沉积促进碳的积累，这可以增强颗粒有机物（POM）和溶解有机物（DOM）的富集。根据Wu等人（2021）的研究，先锋植物Atriplex codonocarpa和Maireana brevifolia的定殖通过植物残体和分解的根际生物量将植物来源的碳源引入土壤基质中，从而直接补充了土壤有机碳（SOC）库。植物根际产生的低分子量有机酸有助于次生铁硅短程有序（SRO）矿物和含铁的铁氢氧化物族矿物的形成，从而增强其稳定性和固存效率。易分解的有机物组分可以被与DOM代谢密切相关的功能性微生物群落矿化，包括Geobacter、Sphingobacterium、Botryotrichum和Fusarium oxysporum。难以降解的组分，如芳香烃类，则转化为易于固存的DOM组分，如碳水化合物和木质素（Waggoner et al., 2015）。同时，一部分有机物可以通过阳离子桥接（例如Ca²⁺、Na⁺）吸附在铁（水）氧化物表面（例如针铁矿），形成稳定的有机矿物复合物（Underwood et al., 2024）。因此，有机物的积累和稳定支持了碳的固存、基质结构的改善、水分和养分的保持以及微生物活性。

在植物定殖后，根际微生物群落从适应金属丰富、养分贫瘠条件的寡营养型菌群转变为功能多样的菌群，同时驱动和响应矿物-碳的转化。这种转变通常表现为关键功能菌群（例如还原铁的细菌和氧化铁的细菌、有机物分解者以及固氮菌）的富集和相互作用（Yi et al., 2023）。微生物群落通过分泌氧化还原活性代谢物和改变微环境条件积极参与矿物风化和次生矿物的形成。例如，Bacillus mucilaginosus通过产生有机酸和多糖加速硅酸盐矿物的溶解，从而将生物黑云母、斜长石等矿物的Si⁴⁺、Al³⁺等元素的释放效率提高了两个数量级（Barker et al., 1998）。氨氧化古菌（AOA）通过氨氧化代谢（涉及amoA基因）调节微环境化学条件，从而间接促进矿物风化和次生矿物的形成（Potter-McIntyre and McCollom, 2018）。总的来说，这些代谢活动代表了驱动矿物风化和控制铁尾矿早期土壤形成阶段的基本生物地球化学引擎。

因此，促进次生矿物的转化、有机物的积累和微生物群落的重组是将铁尾矿转化为功能性土壤样基质的关键途径。然而，虽然在农业环境中使用秸秆作为有机物改良剂以改善土壤物理结构和养分状况已有成熟的应用，但在以矿物为主的环境中的功能仍不明确。本研究专门旨在阐明秸秆来源的碳与先锋植物活动之间的协同作用，这两种因素是启动早期土壤形成和将尾矿转化为功能性土壤样基质的基础。因此，本研究旨在：（1）探究先锋植物定殖引发的铁氧化还原状态转化和含铁矿物风化的机制；（2）表征先锋植物定殖驱动的有机碳库的重新分布；（3）明确铁尾矿早期土壤形成过程中微生物群落的生态组成模式和功能响应。我们假设：（1）在根际，原生含铁矿物的溶解和还原转化可能依赖于特定的处理条件；（2）植物定殖通过调节地球化学变化和有机碳的积累，促进铁尾矿向土壤样基质的转化；（3）根际微环境以及植物活动对微生物群落起到选择压力，从而重塑其组成结构。

章节片段

材料

实验中使用的所有铁尾矿均来自中国河北省张家口市的一个铁尾矿堆积场（115.19°E, 40.76°N）。土壤样本来自上述矿场附近的农田。土壤的初始物理化学性质如下：pH 8.26，电导率（EC）230.15 μS·cm^-1，总有机碳（TOC）11.2 g·kg^-1，总氮（TN）1.1 g·kg^-1

物理化学性质和植物对元素的吸收

经过8周的盆栽实验后，植物定殖导致不同处理组的基质化学成分发生了变化（图1）。在FOS和FO处理组中，植物定殖后pH值显著降低（p < 0.05），而在FS和S处理组中pH值仅略有增加（图1a）。电导率对植物定殖有特定的响应。具体来说，在S处理组中电导率显著降低（p < 0.01），而在FOS、FO和FS处理组中的变化不显著（

铁尾矿中植物介导的氧化还原微环境分化与矿物转化

在FOS和FO处理组中（图2），铁的氧化可能是由于根系生长改善了基质的通气性，从而促进了氧气（O₂）向基质的扩散（Jiang et al., 2023）。此外，禾本科植物分泌的柠檬酸可以与Fe(Ⅲ)形成稳定的复合物，从而通过持续从反应平衡中去除Fe(Ⅲ)来热力学上促进Fe(Ⅱ)的氧化（Hudson et al., 2022）。XRD分析显示针铁矿的强度增加，而

结论

本研究阐明了先锋植物定殖启动铁尾矿早期土壤形成的协同机制。我们的研究发现：（1）植物定殖作为一种生物地球化学引擎，通过根际介导的氧化和还原途径驱动铁的氧化还原循环，使原生含铁矿物向次生相转变；（2）这些矿物学转化与有机碳库的重新分布密切相关，其中植物驱动的氧化还原

CRediT作者贡献声明

史一瑞：撰写——原始草稿、方法论、研究、正式分析、数据管理。张廷瑞：撰写——审阅与编辑、方法论、正式分析、数据管理。郭俊生：撰写——审阅与编辑、方法论、正式分析。李泽：方法论、数据管理。刘云佳：撰写——审阅与编辑、可视化、监督、项目管理、研究、资金获取、概念构思

未引用的参考文献

Cross and Lambers, 2017; Rasche, 2023.

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

6. 致谢

作者感谢李叶珍女士和李春江先生的盆栽实验设置帮助。该研究得到了国家自然科学基金会（项目编号：42577448、中国农业与农村事务部北方耕地保护重点实验室（项目编号：2024KLALCNC04）的支持。